論述風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變

趙俊華 王健

(新疆龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司,新疆 烏魯木齊 830099)

近些年,我國(guó)電力需求量不斷增大,所以風(fēng)電裝機(jī)容量也越來(lái)越大,此時(shí)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致電能質(zhì)量的問(wèn)題,成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),因?yàn)樵搯?wèn)題會(huì)在一些時(shí)候直接影響到風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)的具體容量[1]。事實(shí)上,風(fēng)力形式的發(fā)電受到很多因素影響,這些因素與風(fēng)力相關(guān),包含風(fēng)向以及風(fēng)速,它們的波動(dòng)性和隨機(jī)性以及間接性均會(huì)作用到發(fā)電上,使得風(fēng)機(jī)所輸出的功率出現(xiàn)了一些波動(dòng),此種波動(dòng)化隨機(jī)功率進(jìn)入到電網(wǎng),直接關(guān)系著電能的質(zhì)量高低?？偨Y(jié)這種現(xiàn)象,可以被稱之為電壓波動(dòng)以及閃變。

1 電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變的主要原因

風(fēng)力發(fā)電的機(jī)組需要并入到電力運(yùn)輸線路時(shí),其所輸送出的功率不穩(wěn)定,出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng),則直接導(dǎo)致了該部分電網(wǎng)的電壓波動(dòng)以及閃變,為此需就此原因進(jìn)行分析：從圖1 中可以看出,這是風(fēng)力發(fā)電的機(jī)組并入到電力運(yùn)輸線的等效電路圖,用來(lái)表示風(fēng)力發(fā)電的機(jī)組中出口電壓的則是E˙；用來(lái)表示線路中電抗的則是X1,用來(lái)表示線路里面存在的無(wú)功電流的則是Ir；用來(lái)表示整個(gè)電網(wǎng)電壓的則是；用來(lái)表示線路中有功電流的則是Ia,用來(lái)表示線路中電阻的則是R1。在正常條件下,電路之中運(yùn)行的無(wú)功電流總是要比電路之中的有功電流要小很多。

圖1 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的等效電路圖

由圖1 的第二個(gè)圖看,R1I˙a分量及V 分量同jX1I˙a分量的垂直,造成了電壓的跌落,并不用計(jì)算其造成的電壓跌落。從圖1的第三個(gè)圖去看,jX1I˙r分量是造成電壓跌落主要原因,這里面的V 分量和R1I˙a分量出現(xiàn)垂直,進(jìn)而不計(jì)算因?yàn)槠湓斐傻碾妷旱?。從這一點(diǎn)就能知道,分析電路之中出現(xiàn)電壓跌落的具體原因,那就是線路里面存在兩種電流,分別是有功和無(wú)功的電流,這兩個(gè)值分別為jX1Ir、R1Ia。當(dāng)風(fēng)向以及風(fēng)速發(fā)生了改變之后,風(fēng)力發(fā)電的機(jī)組中所輸出的功率也會(huì)有一些變化,出現(xiàn)一些波動(dòng),同時(shí)線路中的有功和無(wú)功電流同樣出現(xiàn)改變,那么此電網(wǎng)之中的電壓就會(huì)有波動(dòng)以及閃變。

電路網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)可能影響到一些用電設(shè)備運(yùn)行,通常會(huì)利用照明設(shè)備運(yùn)行情況,判定電壓波動(dòng)情況,也就出現(xiàn)閃變概念[2]。IEC(國(guó)際電工委員會(huì))提倡,針對(duì)電壓出現(xiàn)的波動(dòng),運(yùn)用白熾燈亮度閃爍去表示,當(dāng)白熾燈的亮度有一些變化,比如超過(guò)某種設(shè)定幅度,則可以將其稱之閃變[3]。想要知道人們對(duì)于閃變所適應(yīng)的程度,給出了載波為調(diào)幅波的建議,其同工頻電壓頻率、波形、幅值并不相同,可以提供給230V、60W 的電燈電能,閃變的察覺(jué)率F 有規(guī)范計(jì)算公式,見(jiàn)公式(1)。

公式里面的A、B、C、D,分別代表著不同的人群,主要以對(duì)白熾燈的閃爍程度感覺(jué)為準(zhǔn),A 為沒(méi)有感覺(jué),B 為稍微有感覺(jué),C為明顯有感覺(jué)；D 為不能承受的感覺(jué),分別有多少人。一瞬間閃變的視感度測(cè)量單位就是閃變的覺(jué)察率50%,也就是覺(jué)察單位設(shè)定成S=1。

2 電壓波動(dòng)和閃變的檢測(cè)分析

2.1 電壓波動(dòng)和閃變?yōu)榛A(chǔ)構(gòu)建數(shù)字模型

為準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),常用方法則要在波動(dòng)電壓里面分離出來(lái)波動(dòng)信號(hào)。一般情況下,可以將波動(dòng)的電壓設(shè)定成調(diào)幅波,此時(shí)的工頻額定電壓就可以被看成是電壓的波動(dòng)載波,假設(shè)調(diào)制出合適的相應(yīng)頻率的調(diào)幅波,才可讓其幅值改變。一般會(huì)用公式(2)代表分頻電壓u(t)：

將電壓波動(dòng)分量設(shè)定成某特定的頻率,也就是v(t)=Vmcos(Ωt),將其替換上式：

從當(dāng)下能夠查詢到的資料中可知,電壓波動(dòng)和閃變方面的研究均以u(píng)(t)檢測(cè)和v(t)分離為著手點(diǎn),想要獲取閃變數(shù)字,就需要進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析,由此看出,想要得到精準(zhǔn)閃變數(shù)值,那么必須得到準(zhǔn)確的電壓波動(dòng)的分量,此步驟非常的重要,對(duì)于閃變數(shù)值精準(zhǔn)計(jì)算,其準(zhǔn)確度受到電壓波動(dòng)分量的準(zhǔn)確度影響,從而影響到電網(wǎng)中輸出電能質(zhì)量好壞的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2.2 電壓波動(dòng)和閃變檢測(cè)方法

針對(duì)檢測(cè)的過(guò)程來(lái)說(shuō),整體實(shí)施方案則應(yīng)以波動(dòng)電壓u(t)實(shí)施分離的時(shí)候得出電壓波動(dòng)的分量Vmcos(Ωt)(看成為調(diào)幅波)的計(jì)算為重點(diǎn),從而形成檢測(cè)方法之一。當(dāng)下,常用檢測(cè)方法是各國(guó)的閃變儀,分成三個(gè)種類：第一種則是平方檢測(cè)法,IEC 給的意見(jiàn),這是主導(dǎo)檢測(cè)方法。第二種則是整流檢測(cè)法。第三種則是有效值檢測(cè)法。此次研究以平方檢測(cè)法為重點(diǎn),進(jìn)行詳細(xì)分析。這里所應(yīng)用的平方檢測(cè)法,還可以叫做同步檢測(cè)法。為得到不一樣類型的頻率信號(hào),需要將電壓的信號(hào)做平方化的處理,之后運(yùn)用帶通濾波器,去處理無(wú)用信號(hào),也就是過(guò)濾,可以得到了已經(jīng)分離完成的波動(dòng)的電壓信號(hào)。此時(shí)的波動(dòng)電壓信號(hào)u(t)的平方公式：

接著需要對(duì)平方進(jìn)行解調(diào),電壓表達(dá)式看包含以下頻率風(fēng)量,分別是0、Ω、2Ω、2ω、2(ω+Ω)、2ω+Ω、2ω-Ω。就的獲取波動(dòng)分量,應(yīng)用頻率范圍是0.05Hz 到35Hz 帶通濾波器,就能將超出50Hz 頻率分量進(jìn)行過(guò)濾,同時(shí)把直流分量也進(jìn)行過(guò)濾。此時(shí)可以得到波動(dòng)分量,還能得到倍頻的波動(dòng)分量,要知道后者的調(diào)制系數(shù)(m)不會(huì)比1 大,就可以得到這樣的結(jié)論,后者要比前者小非常多,進(jìn)而可以忽略不計(jì)后者。此時(shí)則能獲取電壓波動(dòng)分量v(t),計(jì)算公式為：

倍頻波動(dòng)分量數(shù)值與波動(dòng)分量比較,前者比較小,可忽略不計(jì),可是前者卻永遠(yuǎn)都有,也沒(méi)有一些變化,進(jìn)而不計(jì)這部分,則是此計(jì)算方法的局限。

圖2 閃變儀器原理結(jié)構(gòu)圖

2.3 IEC 閃變儀原理

IEC 將閃變儀器原理結(jié)構(gòu)圖給出,見(jiàn)圖2。從原理結(jié)構(gòu)圖中可以看出,此閃變儀分成三個(gè)部分：其一,框架1 構(gòu)成,主要作用為,把波動(dòng)電壓信號(hào)輸入其中,實(shí)施適合的調(diào)整和平方運(yùn)算,調(diào)幅波電壓則是自檢信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。其二,框架2 和框架3 以及框架4 構(gòu)成第二部分,此部分主要功能為,搭建電壓波動(dòng)以及閃變視覺(jué)的模擬模型,分離得到電壓波動(dòng)的分量,確定頻率的響應(yīng)特性,也就是一瞬間閃變的視感度的曲線。這部分的框架3 的構(gòu)成部分,包括加權(quán)濾波器、帶通濾波器。框架4 中輸出瞬時(shí)閃變視感度S(t)進(jìn)行反應(yīng)。其三,框架5 是主要組成部分,此比分功能為,統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算電壓波動(dòng)和閃變,閃變值可通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)閃變的視感度而得到。

3 IEC 閃變儀仿真研究

3.1 仿真模型

以Matlab/Simulink 為基礎(chǔ)形成上述的原理結(jié)構(gòu)圖仿真模型,設(shè)定電壓波動(dòng)分量是波動(dòng)幅度的0.25%,頻率則是8.8Hz 正弦波。波動(dòng)電壓信號(hào)(也就是調(diào)幅波)為正弦波,同時(shí)受到個(gè)濾波器的濾波蒸流的調(diào)節(jié)之后,輸出得到信號(hào)為mcos(Ωt),也就是v'(t)。通過(guò)平方處理的計(jì)算,表達(dá)式為：

3.2 仿真分析

利用Simulink 就能得到每環(huán)節(jié)仿真波形,從而仿真獲得S(t)的波形,將S(t)波形局部的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行放大,可以看到以下特點(diǎn)：8.8Hz 是輸出時(shí)的電壓頻率,就可以說(shuō)明進(jìn)行了相應(yīng)加權(quán)的濾波處理,可以得到此時(shí)波形,此時(shí)頻率也就是對(duì)應(yīng)調(diào)幅頻率,濾波時(shí)則不用影響信號(hào),信號(hào)會(huì)變?nèi)?以讓濾波器得到滿足。

綜上所述,針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量評(píng)價(jià),非常關(guān)鍵的方面則是電壓波動(dòng)和閃變。利用平方法構(gòu)建仿真模型,閃變儀的檢測(cè)瞬時(shí)閃變視感度是1,在1 上下的3%進(jìn)行浮動(dòng),達(dá)到IEC 檢測(cè)精度要求,一般會(huì)于2.5s 的時(shí)候處于穩(wěn)定。